变电站雷电过电压计算建模与绝缘配合研究

摘要................................................................................................................... I ABSTRACT......................................................................................................... II 第一章绪论. (1)

1.1选题背景和研究意义 (1)

1.2电力系统过电压建模的国内外研究现状 (1)

1.2.1 进线段输电线路建模 (3)

1.2.2 进线段杆塔建模 (5)

1.2.3 绝缘子串建模 (7)

1.2.4 变电站站内设备建模 (9)

1.3绝缘配合的国内外研究现状 (10)

1.3.1 确定性法 (11)

1.3.2 统计法 (11)

1.3.3 简化统计法 (11)

1.4本文所做的工作 (12)

第二章雷电的机理与雷电在架空线路上的波过程 (13)

2.1雷的形成与种类 (13)

2.1.1 雷的形成 (13)

2.1.2 雷的种类 (14)

2.2雷电波 (15)

2.3雷电放电参数 (15)

2.3.1 主放电通道波阻 (15)

2.3.2 雷电流波形 (16)

2.3.3 雷电流幅值概率分布 (17)

2.3.4 雷电流陡度概率分布 (18)

2.3.5 雷电流极性 (18)

2.4雷电放电的等效模型 (18)

2.5雷电在架空线路上传播的波过程 (19)

2.5.1 无损耗单相导线线路中的波过程 (19)

2.5.2 行波在不同波阻抗无损耗线路中的波过程－行波的折射和反射20

2.5.3 无损耗三相多导线线路中的波过程 (21)

2.6本章小结 (21)

第三章变电站雷电侵入波过电压计算建模 (22)

3.1ATP-EMTP仿真软件介绍 (22)

3.2输电线路模型 (23)

3.2.1 无损耗导线的贝杰隆电路 (23)

3.2.2 集中参数元件的等值电路 (24)

3.2.3 马蒂模型 (26)

3.3避雷器及其数学模型 (30)

3.4杆塔计算数学模型 (32)

3.5绝缘子闪络模型 (33)

3.6站内设备模型 (35)

3.6.1 电力变压器 (35)

3.6.2 互感器 (36)

3.6.3 断路器和隔离开关 (37)

3.6.4 站内设备模型取值 (37)

3.7本章小结 (37)

第四章变电站雷电侵入波过电压计算实例分析 (38)

4.1变电站情况介绍 (38)

4.1.1 变电站电气主接线 (38)

4.1.2 变电站运行方式 (38)

4.1.3 变电站电气设备 (39)

4.2变电站主接线等值计算网络图 (41)

4.3程序中计算步长的选取 (42)

4.4仿真程序计算流程 (43)

4.5雷电反击时变电站内过电压分布 (43)

4.5.1 雷电反击时侵入波参数的选择 (43)

4.5.2 变电站不同运行方式下反击过电压仿真计算 (44)

4.5.3 不同雷击的位置的反击过电压仿真计算 (46)

4.5.4 考虑系统工频电源的反击过电压仿真计算 (47)

4.6雷电绕击时变电站内过电压分布 (47)

4.6.1 变电站不同运行方式下绕击过电压仿真计算 (49)

4.6.2 考虑系统工频电源的绕击过电压仿真计算 (49)

4.7本章小结 (50)

第五章变电站电气设备的绝缘配合 (51)

5.1电气设备的绝缘水平的确定 (51)

5.2电气设备的绝缘裕度的计算 (52)

5.3避雷器布置方案与参数选择 (53)

5.3.1 减小避雷器与被保护设备的电气距离 (53)

5.3.2 母线安装避雷器 (53)

5.3.3 避雷器参数选择 (54)

5.4本章小结 (54)

总结与展望 (55)

参考文献 (57)

致谢 (63)

附录A 攻读硕士学位期间发表论文与专利情况 (64)

附录B 攻读硕士学位期间参加的相关课题及所获奖励 (65)

第一章绪论

1.1 选题背景和研究意义

电闪雷鸣是大自然中一种常见现象，从1746年Franklin著名的风筝实验开始，人们已经对雷电现象进行了200余年的研究，对雷电的机理有了较为深入的认识，但仍有许多原理并未弄清楚。雷电的特点是分布范围广、具有很高的随机性。每年的4～9月是我国南方地区的雷雨季节，雷电频发，其放电时间极短，电压高达数百万伏特，瞬时电流有数万安培，对人体健康、建筑物、电力系统、电子设备等有很大影响，对社会造成巨大损失[1-2]。

随着我国电网的快速建设，我国已经建成了以500kV电网作为主干架构的网络，覆盖了华中、华东、华北、东北、西北以及南方电网等多个区域网络[3]。500kV 变电站作为500kV主干网架的重要组成部分属于我国电力系统中的枢纽变电站，一旦因为雷害而造成事故，将对整个电网的安全运行造成危害。从统计资料来看[4-7]，中国的超高压输电线路的总跳闸事故中，雷击占据4～7成，在多雷区以及高土壤电阻率地区则更高。在国外，电力系统中的雷害事故则占据5成以上，例如：日本的统计资料是50%，瑞典的为51%，北美地区则为60%。因此，必须有可靠的防雷措施来保证电网的正常运行。对于变电站来说雷电的主要危害是：①雷电直击于变电站母线以及设备上②雷电反击于变电站进（出）架空地线（杆塔）上或是绕击于架空线路产生雷电侵入波侵入变电站。变电站站内设备大多没有绝缘恢复能力，一旦绝缘损坏而造成设备损坏，则可能造成大面积停电，文献[8-11]介绍了我国发生的几次因雷害而造成的发（变）电站断路器闪络以及爆炸事故。

湖南省是我国雷电频发的一个省份，根据文献[12]，湖南全省平均年气象雷暴日为43天，属于多雷地区。岳阳市位于湖南省东北部，该市平均年气象雷暴日为40天，岳阳南500kV变电站位于岳阳汨罗市沙溪镇双楠村境内，论文以该变电站为例，使用ATP-EMTP软件对该站遭受雷电侵入波入侵时站内过电压分布以及变化进行了分析，为变电站雷电过电压防护以及绝缘配合提供了参考。

1.2 电力系统过电压建模的国内外研究现状